深入理解 Java 内存模型：消除可见性和有序性问题

后端

2023-10-06 06:46:48

在 Java 多线程开发中，理解 Java 内存模型 (JMM) 至关重要。JMM 规定了线程如何访问和共享内存，并确保并发执行的正确性和一致性。然而，可见性和有序性问题有时会导致难以理解的错误。

可见性问题

可见性问题发生在某个线程修改共享变量，但另一个线程无法立即看到这些更改时。这是因为 JMM 允许对共享变量进行重排序，优化性能。

为了解决可见性问题，JMM 提供了 volatile 。将变量声明为 volatile 可确保任何修改都会立即反映在所有线程中。

有序性问题

有序性问题发生在某个线程对共享变量执行一组操作，但另一个线程却以不同的顺序观察这些操作时。这是因为 JMM 允许对操作进行重新排序，优化性能。

为了解决有序性问题，JMM 提供了 synchronized 关键字。将代码块声明为 synchronized 可确保所有线程以相同的顺序访问代码块。

可见性和有序性：一种综合解决方法

使用 volatile 和 synchronized 可以解决可见性和有序性问题，但这会影响性能。一种替代方法是使用 happens-before 关系。

happens-before 关系是一种偏序关系，规定了某些操作在另一个操作之前发生。可以通过以下方式建立 happens-before 关系：

程序顺序：在一个线程中按顺序执行的操作。
锁定：后一个操作获取锁，前一个操作释放锁。
volatile 写入：后一个操作读一个 volatile 变量，前一个操作写该变量。
final 字段初始化：后一个操作读一个 final 字段，前一个操作写该字段。

通过理解 happens-before 关系，可以编写无锁并发的代码，而无需使用 volatile 和 synchronized。

使用示例

考虑以下代码：

int x = 0;
int y = 0;

public void setX(int value) {
  x = value;
}

public void setY(int value) {
  y = value;
}

public boolean isXGreaterThanY() {
  return x > y;
}

在这个示例中，setX() 和 setY() 并发执行时，可能导致 isXGreaterThanY() 返回错误结果，因为无法保证 x 和 y 的值按顺序更新。

为了解决这个问题，可以使用 happens-before 关系：

public void setX(int value) {
  x = value;
  happensBeforeWrite(this::setY);
}

public void setY(int value) {
  y = value;
}

public boolean isXGreaterThanY() {
  happensBeforeRead(this::isXGreaterThanY);
  return x > y;
}